應(yīng)用于無線模塊的能量收集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】應(yīng)用于無線模塊的能量收集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用無線模塊開辟了為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等應(yīng)用實(shí)施經(jīng)濟(jì)高效的傳感器節(jié)點(diǎn)的新方法。模塊的簡單性和低功耗無線協(xié)議的使用使得能量收集子系統(tǒng)能夠從環(huán)境中捕獲能量以在本地存儲(chǔ)，如圖1所示。這可以減少甚至消除更換電池的需要并允許開發(fā)人員在更多難以接近的地方實(shí)施傳感器。

圖1：無線模塊可以通過環(huán)境的能量供電，以減少更換的需要傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可充電電池。（：Spansion）

圖2顯示了不同的無線技術(shù)及其作為電源使用能量收集的適用性。EnOcean等協(xié)議專門針對(duì)能量收集應(yīng)用而開發(fā)，具有簡單的低功耗技術(shù)和構(gòu)造，如電報(bào)，而其他協(xié)議，如Z-Wave，ZigBee和無線HART，是現(xiàn)有無線或工業(yè)協(xié)議的低功耗擴(kuò)展，也可以使用。

EnOceanZ-WaveZigBee無線Hart藍(lán)牙LE藍(lán)牙Wi-Fi行業(yè)組織EnOcean聯(lián)盟Z-Wave聯(lián)盟ZigBee聯(lián)盟HART藍(lán)牙SIG藍(lán)牙SIGWi-Fi聯(lián)盟頻段315MHz，868MHz，900MHz，920MHz900MHz868MHz，915MHz，2.4GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz，5.8GHz數(shù)據(jù)速率低低低低中高非常高范圍（取決于射頻功率）~50m，~300m~30m~100m~250m~50m~100m~100m功耗極低中低極低極低極低應(yīng)用HEMS，BEMS傳感器NW，HEMS傳感器NW，HEMS，BEMS，工廠自動(dòng)化工廠自動(dòng)化NotePC，智能手機(jī)，可穿戴，醫(yī)療，傳感器NW，HEMS，BEMSNotePC，智能手機(jī)，PC外圍PC，智能手機(jī)，數(shù)字AV，室內(nèi)/室外NW適合能量收集？非常好非常好非常好非常好不壞壞HEMS：家庭能源管理系統(tǒng)BEMS建筑能源管理系統(tǒng)

圖2：不同的無線協(xié)議具有一系列功率要求，使得一些更適合能量收集源。（：Spansion）

賽普拉斯半導(dǎo)體公司的MB39C811是一款高效降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用全波橋式整流器和比較器。這支持從高輸出阻抗的能量源（如壓電傳感器）收集能量。

可以從八個(gè)預(yù)設(shè)輸出電壓中開展選擇，并提供高達(dá)100mA的輸出電流和靜態(tài)電流（無負(fù)載，穩(wěn)壓輸出）僅為1.5μA，輸入電壓范圍為2.6V至23V.預(yù)設(shè)輸出電壓范圍為1.5V至1.8V，2.5V至3.3V和3.6V，適用于低功耗無線模塊。4.1V，4.5V和5.0V的輸出不太可能用于此類模塊。

該器件還具有保護(hù)功能，例如當(dāng)Vin超過21V時(shí)用于輸入保護(hù)的分流器，以及過流限制和I/O電源良好檢測信號(hào)輸出。

圖3顯示了電源管理器件的構(gòu)造，它將捕獲的電流傳遞給能量存儲(chǔ)設(shè)備，如電容器或可充電電池，然后用于為無線模塊供電。

圖3：賽普拉斯半導(dǎo)體的MB39C811處理來自能量收集源的電能，以存儲(chǔ)在無線模塊的可充電電池中。

將設(shè)備連接到無線模塊需要考慮許多不同的因素。收獲過程提供的能量對(duì)于無線傳輸?shù)某跏紗?dòng)階段來說是不夠的，因此確保來自存儲(chǔ)設(shè)備的漏極不會(huì)過多是很重要的。這可以通過密切關(guān)注模塊的處理要求來實(shí)現(xiàn)。例如，在無線模塊中的時(shí)鐘速度為12MHz時(shí)，例程需要1.1ms才能完成，但僅消耗4mA峰值電流。這遠(yuǎn)低于48MHz的工作頻率;雖然它使用更多電流，但峰值電流更低，更適合能量收集架構(gòu)。

無線模塊的啟動(dòng)是能量收集源的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這包括初始化存儲(chǔ)器，設(shè)置中斷向量，配置外設(shè)和公共存放器以及初始化任何外部時(shí)鐘。這些步驟中的每一步都需要CPU處理時(shí)間來完成，這反過來又消耗能量。

通過僅初始化將要使用的內(nèi)存和存放器部分，并將其他部分保存為默認(rèn)設(shè)置，可以限度地減少每個(gè)階段所需的電量。

初始化時(shí)鐘振蕩器也會(huì)占用大量功率。而不是在活動(dòng)模式下等待時(shí)鐘穩(wěn)定，使系統(tǒng)保持睡眠或深度睡眠模式允許模塊穩(wěn)定下來?？梢允褂脙?nèi)部計(jì)時(shí)器喚醒模塊以供使用。這防止了對(duì)能量收集功率管理器施加更大壓力。

使用無線模塊通常不需要單獨(dú)的微控制器或存儲(chǔ)器，從而使無線傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)更加簡單。但是，模塊的能量預(yù)算需要考慮如何使用模塊上的外設(shè)。這些外圍設(shè)備可以在設(shè)備內(nèi)部，例如連接到傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或直接連接到外部傳感器。雖然外圍設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間可能不會(huì)很大，但總體設(shè)置時(shí)間的組合可能需要足夠的處理時(shí)間來耗盡存儲(chǔ)的能量。

這需要為給定的CPU頻率確定各個(gè)外設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間。不同的外圍設(shè)備也需要來自中央處理器的時(shí)間，并且必須考慮其耗電量以確保所汲取的總電流不超過能量存儲(chǔ)器中可用的電流。

這可以通過使用模塊或芯片制造商經(jīng)常提供的軟件工具來分析代碼來實(shí)現(xiàn)。

如果當(dāng)前消耗確實(shí)超過了能量存儲(chǔ)的容量，則可以將例程分解為更小的子例程以開展分階段管理。這樣可以將存儲(chǔ)元件上的負(fù)載降低到能夠通過能量收集源更容易再充電的較小電流脈沖。

建議在每個(gè)階段之間將系統(tǒng)置于低功耗模式，使用看門狗或定時(shí)器作為中斷。該模塊在大多數(shù)情況下將處于低功耗模式，這將使電流要求盡可能低，從而使存儲(chǔ)元件更容易充電。

圖4顯示了使用太陽能電池作為輸入的設(shè)備的引腳排列。這可以連接到一個(gè)模塊，例如Digi的可編程版本的XBee和使用ZigBee協(xié)議的XBee-PRO。直接在模塊上編程消除了對(duì)單獨(dú)處理器的需求，并且由于無線軟件是隔離的，因此可以開發(fā)應(yīng)用程序而不會(huì)對(duì)RF性能或安全性造成風(fēng)險(xiǎn)。

圖4：使用帶有太陽能電池輸入的MB39C811，使用ZigBee等協(xié)議為無線模塊供電。

模塊基于EmberEM35x（EM357和EM3587）系統(tǒng)開啟SiliconLabs的芯片（SoC）無線電使用32位ARMCortex-M3處理器。對(duì)于可能希望升級(jí)到基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)堆棧Thread的開發(fā)人員而言，S2DEM3587版本具有更大的內(nèi)存占用，但這會(huì)增加功耗。

模塊通過VCC連接，GND，Dout和Din引腳，盡管數(shù)字通用I/O引腳可用于連接外部傳感器。為了支持串行固件更新，還連接了RTS和DTR引腳。

圖5顯示了使用MB39C811和振蕩能源（如壓電晶體）的引出線。在這種情況下，設(shè)備的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶體受壓，對(duì)晶格產(chǎn)生應(yīng)力并產(chǎn)生電流。然后可以通過PMIC設(shè)備捕獲它。

圖5：使用帶壓電源的MB39C811為藍(lán)牙無線模塊供電。

與賽普拉斯半導(dǎo)體的CYBLE-0220**-00等藍(lán)牙低功耗模塊接口可實(shí)現(xiàn)低功耗-power無線節(jié)點(diǎn)即將實(shí)施。該模塊通過其可編程架構(gòu)支持許多外設(shè)功能，如ADC，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器和PWM，以及串行通信協(xié)議（I2C，UART，SPI）。CYBLE-0220**-00包括一個(gè)與藍(lán)牙4.1兼容的免版稅BLE堆棧，可在10×10×1.80mm的小型封裝中提供多達(dá)16個(gè)GPIO。

CYBLE-0220**-00包含兩個(gè)電源連接，VDD和VDDR。VDD連接為數(shù)字和模擬操作提供1.71V至5.5V的電源，而VDDR連接為設(shè)備無線電提供1.9V至5.5V的電源。模塊上兩個(gè)電源連接的電源紋波是100mV，可由MB39C8111和存儲(chǔ)元件處理。

結(jié)論

使用帶有能量收集子系統(tǒng)的無線模塊為無線開辟了許多新的可能性傳感